ГЛАВА 3. УНИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

3.1. Введение. Транзисторами называют приборы, изготовленные из полупроводниковых материалов и способные усиливать электрическую мощность. По принципу действия различают два класса транзисторов: униполярные и биполярные.

Униполярные транзисторы работают на одном типе носителей – либо электронах, либо дырках, инжекция и диффузия в них практически отсутствуют. Основной способ движения носителей – дрейф в электрическом поле. Для управления током в полупроводнике используется эффект поля, поэтому униполярные транзисторы называют полевыми транзисторами.

Проводящий слой, по которому течёт рабочий ток, называют каналом. Приповерхностные каналы – либо обогащённые донорными примесями слои в диэлектрике, либо образуемые внешним полем инверсионные слои. Объёмные каналы – отделённые от поверхности участки однородного полупроводника (рис. 3.1)

 

Рис. 3.1

 

Транзисторы по рис. 3.1,а – МДП-транзисторы (металл–диэлектрик–полупроводник). Если диэлектрик – окись кремния (SiO₂), используют название МОП-транзистор. В структуре по рис. 3.1,б обеднённый слой создаётся с помощью р-n перехода, это – полевой транзистор. В обоих транзисторах управляющая цепь практически не потребляет тока, а направление управляющего электрического поля перпендикулярно направлению тока.

3.1.МДП – транзисторы. Реальная структура МДП-транзистора с n -каналом представлена на рис. 3.2. Электроды транзистора обозначены так: И – исток, З – затвор, С – сток.

На сток поступают рабочие носители канала (электроны). Исток обычно соединяют с полупроводниковой подложкой (П). В идеальном случае (φ_S0 = 0) при U_зи = 0 канал отсутствует и между стоком и истоком встречно включены два р-n+ перехода. Поэтому при подаче напряжения U_си ток в цепи стока будет ничтожно мал. При отрицательном напряжении на затворе приповерхностный слой обогатится дырками, и ток мало изменится. Если подавать на затвор растущее положительное смещение U_зи > 0, то сначала возникнет обеднённый слой (объёмный заряд акцепторов), а затем

 

Рис. 3.2

 

инверсионный слой электронов – проводящий канал. Ток стока принимает конечное значение, определяемое напряжением на затворе, что соответствует рабочему режиму транзистора.

Возникающие под действием внешнего напряжения каналы называют индуцированными, их толщина 1–2 нм. Порговое напряжение U₀ на затворе соответствует уровню образования канала. Длина канала L есть расстояние между слоями истока и стока, а ширина Z – протяжённости эти слоёв.

При подложке n -типа, а слоёв истока и стока р -типа получим МДП-транзистор с индуцированным р -каналом. Схемы с сочетанием обоих типов транзисторов называют комплементарными схемами.

Следует отметить, что n-канальные транзисторы более быстродействующие из-за более высокой подвижности (почти в три раза) электронов по сравнению с дырками. Кроме того, р- и n -канальные структуры приповерхностного слоя в равновесном состоянии оказываются разными из-за влияния положительного заряда, имеющегося в окисле. В n -структуре этот заряд создаёт обогащённый слой, препятствующий образованию р -канала, соответственно U₀ растёт. В р -структуре этот же заряд создаёт обеднённый слой, способствуя образованию n-канала, в связи с чем U₀ уменьшается.

Иногда заряд в окисле может образовать инверсионный слой, то есть n -канал, существующий при U₀ = 0. Такой канал называют встроенным, для него вводят параметр напряжение отсечки – напряжение, при котором электроны равновесного инверсионного слоя отталкиваются от поверхности, и встроенный канал исчезает. Транзисторы со встроенным каналом работают при обеих полярностях напряжения затвора, однако транзисторы с индуцированным каналом имеют много большее распространение. Когда же встроенный канал желателен, его реализуют в виде тонкого слоя с помощью ионного легирования.

В случае структур с индуцированным каналом одним из важных параметров является удельная ёмкость затвор-канал, которая определяет управляющую способность затвора:

 

,

 

где d – толщина диэлектрика; ε_{d –} его диэлектрическая проницаемость. Уменьшение d желательно, но ограничено пробоем диэлектрика. Для SiO₂ типичные значения d = 0,01-0,1мкм. Если положить d = 0,03 мкм и ε_d = 3,5, то С₀ ≈ 1000 пФ/мм².

Пороговое напряжение U₀ можно разделить на две части:

 

U₀ = U_0F + U_0B.

 

Составляющая U_0F – это напряжение спрямления зон; оно сводит к нулю равновесный поверхностный потенциал φ_s0. Составляющая U_0B – напряжение изгиба зон; оно обеспечивает изгиб зон в сторону, необходимую для образования канала.

Если φ_s0 = 0, то и U_0F = 0. Для U_0F справедливо

 

U_0F = φ_МS + Q_0S / C₀,

 

где Q_0S – равновесный удельный заряд поверхности (заряд поверхностных состояний и заряд ионов примесей в диэлектрике); φ_МS – контактная разность потенциалов металл-диэлектрик. Обычно Q_0S = 5·10^-9 - 5·10^-8 Кл/см².

Напряжение U_0B. определяется так:

U_0B. = φ_SM + ,

где – коэффициент влияния объёмного заряда (N – концентрация примеси, ε_П – диэлектрическая проницаемость полупроводника).

Практически значения полного порогового напряжения лежат в пределах U₀ = 0,5 – 1,5 В.

Статические характеристики. Если U_си = 0, то поверхность полупроводника эквипотенциальна, поле в диэлектрике однородно и толщина канала h одинакова по всей длине (рис. 3.3,а). Если же U_си > 0, то течёт ток и потенциал поверхности растёт от И к С, значит, разность потенциалов между З и поверхностью от И к С уменьшается. Соответственное уменьшение напряжённости поля в диэлектрике и удельного заряда электронов в канале приводит к сужению канала вблизи точки x = L (рис. 3.3,б). При напряжении насыщения разность потенциалов между З и поверхностью в точке x = L достигает порогового напряжения с образованием «горловины» канала.

Напряжение насыщения определяется так:

 

U_сн = U_зн – U₀

 

После образования «горловины» канала ток в рабочей цепи почти не зависит от напряжения на стоке – наступает

Рис. 3.3

 

 

насыщение тока (рис. 3.4,а). На практике используют аппроксимации ВАХ, из которых наиболее простой и распространённой является такая:

 

 

Здесь b – удельная крутизна МДП-транзистора

 

 

где μ – приповерхностная подвижность носителей; Z – ширина канала. При μ = 550 см² /(В·с), Z/L = 10 и С₀ = 10^-7 Ф/см² получаем типичное значение b ≈ 0,5 мА/В².

Для пологих участков ВАХ, соответствующих условию U_cи >U_cн (ток не меняется) и представленных на рис. 3.4,б, значение тока может быть определено из выражения

 

 

Обычно номинальным током МДП-транзистора считается ток при напряжении U_зи = 2U₀, то есть

 

I_cном = 0,5b U₀².

 

Рис. 3.4

 

Рассмотрим начальные крутые участки ВАХ, широко используемые в ключевых (импульсных) схемах. Полагая можно получить линейную зависимость

 

Коэффициент b в правой части называется проводимостью канала, а обратная величина – сопротивлением канала

 

 

Как видим, R можно регулировать в широких пределах, меняя напряжение на затворе, что и используется на практике.

Малосигнальные параметры. В усилительной технике работают на пологих участках ВАХ (областях насыщения), которым присущи наименьшие нелинейные искажения и оптимальные значения малосигнальных параметров.

К малосигнальным параметрам МДП-транзистора относятся:

крутизна при U_си = const;

внутреннее сопротивление при U_зи = сonst;

 

коэффициент усиления при I_c =const.

 

Эти три параметра связаны соотношением

 

 

Крутизна в области насыщения определяется так:

 

 

Как видим, при = 1В величина b численно равна крутизне, и поэтому названа удельной крутизной.

Можно установить связь крутизны с рабочим током:

 

.

Например, при b = 0,5мА/В² , I_c = 1 мА имеем S =1,0 мА/В.

Внутреннее сопротивление на пологом участке ВАХ обусловлено зависимостью длины канала от стокового напряжения и определяется следующим образом:

 

 

Полагая N =10¹⁶ cм^-3, U_c =4 В, I_c = 1мА, L = 10 мкм, получаем r_c = 100 кОм.

Перемножив выражения для S и r_{c ,} получим коэффициент усиления k; он не зависит от длины канала и имеет типичные значения в пределах 50-200 в зависимости от ширины канала Z.

Рассматривавшееся включение МДП-транзистора с общим истоком ОИ – наиболее распространённое. Иногда используется включение с общим затвором ОЗ. Оно обладает очень низким входным сопротивлением и находит применение в некоторых специальных случаях.

Малосигнальная эквивалентная схема МДП-транзистора в общем виде представлена на рис. 3.5,а. Так как подразумевается работа транзистора на пологих участках ВАХ, в качестве сопротивления канала использована величина r_c. Источники тока S₃U_зи и S_пU_пи отражают усилительную способность транзистора. Сопротивления R_зи и R_зс являются сопротивлениями диэлектрика затвора; ими обычно пренебрегают из-за их очень больших значений порядка 10 ¹³-10¹⁴ Ом и более. Сопротивления R_пи и R_ис – обратные сопротивления р-n переходов истока и стока; их значения составляют 10¹⁰-10¹¹ Ом. Ёмкости С_пи и С_пс – барьерные ёмкости тех же переходов; их значения зависят прежде всего от площадей истока и стока, ориентировочно С_пи = С_пс = 0,12 пФ. Наконец, ёмкости Сзи и Сзс определяют ёмкости металлического электрода затвора относительно слоёв истока и стока.

 

 

.

Рис. 3.5

 

.

В наиболее распространённом случае, когда исток, соединён с подложкой, источник тока S_пU_пи отсутствует, а сопротивление R_пи и ёмкость С_пи оказываются закороченными. Если вдобавок пренебречь сопротивлениями диэлектрика R_зи и R_зс , получаем для такого случая эквивалентную схему, показанную на рис.3.5,б. Эта схема служит основой большинства практических расчётов.

3.2. Полевые транзисторы. Идеализированная структура современного полевого транзистора приведена на рис. 3.6, где металлический контакт вместе со слоем р+ выполняет функцию затвора. Последний отделён от полупроводника n -типа обеднённым слоем р-n перехода.

Отметим, что обеднённый слой может образоваться и при непосредственном контакте металла с полупроводником. Транзистор с такой структурой называют транзистором с барьером Шоттки. Далее рассматривается транзистор с р-n переходом.

Для нормальной работы полевого транзистора толщина рабочего слоя под затвором (размер а на рис. 3.6) должна быть не более нескольких мкм, что технологически неприемлемо из-за механической хрупкости. Поэтому тонкий рабочий n -слой располагают на более толстой «несущей» пластине (на рис. 3.6 не показана).

 

 

Рис. 3.6

 

Принцип действия. На р-n переход затвора подаётся обратное напряжение, причём чем больше его значение, тем глубже обеднённый слой и меньше толщина канала w. Следовательно, при изменении напряжения на затворе меняется поперечное сечение канала, что эквивалентно изменению сопротивления. При наличии напряжения на стоке будет меняться ток канала.

Усиление мощности обеспечивается малым значением входного тока, которым является обратный ток р-n перехода затвора (порядка 10^-11 А и менее).

Толщина канала w определяется как w = a – l. Пренебрегая равновесной высотой потенциального барьера, получаем

Под U_зи здесь принят модуль напряжения на затворе. Из условия w = 0 легко найти напряжение отсечки, при котором обеднённый слой перекрывает весь канал и ток в канале прерывается

 

 

Используя величину U_з0, можно записать

 

Такая толщина канала сохраняется по всей его длине. Сопротивление канала в этом случае равно

 

 

где Z – ширина канала; ρ – удельное сопротивление n-слоя.

Статические характеристики. При подаче напряжения U_си в канале потечёт ток и поверхность канала на границе с обеднённым слоем уже не будет эквипотенциальной. Поэтому напряжение на р-n переходе будет возрастать в направлении стока и ширина обеднённого слоя будет увеличиваться в этом же направлении (рис. 3.6,а). Когда разность потенциалов U_си – U_зи (U_зи < 0) станет равной напряжению отсечки, толщина канала у стока станет равной нулю (образуется «горловина»), но ток течёт, так как образование «горловины» – следствие увеличения тока (рис.3.6,б). Вместо отсечки тока – отсечка его приращений, то есть насыщение тока. Когда U_си – U_зи > U_з0 , «горловина» смещается к стоку и длина канала уменьшается (рис. 3.6,в).

Напряжение насыщения для полевых транзисторов определяется выражением:

 

U_си = U_з0 – U_зи, (U_зи < 0).

 

Рис. 3.7

 

 

Семейство стоковых ВАХ представлено на рис. 3.7,а. С ростом напряжения на затворе (по модулю) ток стока уменьшается.

 

а б

Рис. 3.8

 

Семейство стоко-затворных ВАХ (рис. 3.7,б) отличается тем, что ток течёт при нулевом напряжении на затворе. Важная особенность этих ВАХ также в том, что Uз может иметь только одну полярность, в данном случае – отрицательную.

Аналитические выражения для ВАХ полевого транзистора:

на крутом участке

 

на пологом участке

 

 

где R_0мин – сопротивление канала при U_зи = 0.

Последнее выражение хорошо аппроксимируется квадратичной зависимостью

 

Здесь коэффициент b, аналогичный удельной крутизне МДП-транзистора, имеет вид

 

Полевым транзисторам свойственно понятие критического тока (как и МДП-транзисторам), при котором зависимость тока от температуры в принципе отсутствует. Наличие такого тока обусловлено противоположным влиянием функций b(T) и U_з0(Т).

3.3.Полевые приборы с зарядовой связью. Прибор с зарядовой связью (ПЗС) представляет собой МДП-структуру с большим количеством управляющих электродов – затворов (рис.3.8). Главная особенность ПЗС состоит в том, что он и передаёт информацию в виде количества заряда –«зарядовых пакетов», которые состоят из подвижных носителей заряда

 

 

Рис. 3.9

 

(дырок и электронов). В простейших случаях применения ПЗС такой информационный зарядовый пакет вводится через входной электрод и затем постепенно с помощью управляющих напряжений передаётся от затвора к затвору. На выходном электроде ПЗС информация оказывается задержанной по отношению к входному сигналу, то есть ПЗС выполняет функцию элемента задержки.

Возможен также параллельный ввод информации, когда зарядовые пакеты поступают одновременно на все затворы ПЗС. Затем записанная в виде зарядовых пакетов информация последовательно выводится из ПЗС, то есть записанная информация «развёртывается» во времени.

По выполняемым функциям современные ПЗС можно разделить на три класса:

1) ПЗС для обработки и преобразования аналоговых сигналов;

2) ПЗС для приёма и преобразования изображений – фото-ПЗС;

3) ПЗС для запоминающих устройств.

В качестве устройств, использующих ПЗС для обработки аналоговых сигналов, можно выделить:

линии задержки (входной аналоговый сигнал преобразуется в дискретные зарядовые пакеты и через время задержки поступает на выход ПЗС);

мультиплексоры (несколько входных сигналов вводятся параллельно в ПЗС, а затем последовательно выводятся на выход ПЗС);

фильтры и другие устройства.

Фото-ПЗС воспринимают информацию об изображении параллельно, а затем преобразуют её в так называемый видеосигнал. Запоминающие устройства на ПЗС прежде всего выделяются своей низкой стоимостью.

Низкая стоимость изготовления – вообще основное преимущество ПЗС по сравнению с другими классами цифровых устройств. Ещё ПЗС отличают малые масса и размеры, низкая потребляемая мощность и повышенная надёжность.

Режимы работы МДП-структуры в ПЗС. Известно, что МДП-структура может работать в трёх режимах – обеднения, обогащения и инверсии проводимости канала. В ПЗС основной режим работы МДП-структкры – режим обеднения. Последнее обусловлено тем, что носителем информации в ПЗС служит «зарядовый пакет» дырок или электронов. Очевидно, что чем меньше концентрация подвижных зарядов в исходном состоянии МДП-структуры, тем выше чувствительность прибора, то тесть тем меньшим может быть зарядовый пакет.

С течением времени в обеднённой МДП-структуре за счёт генерации происходит образование электронно-дырочных пар и возникновение паразитного для ПЗС инверсионного слоя. Время перехода МДП-структуры из состояния обеднения в режим инверсии называется временем релаксации t_s; его значение определяется временем компенсации объёмного заряда обеднённого слоя ионов примеси подвижными носителями, созданными тепловой генерацией. Например, для ПЗС с каналом n -типа имеем

,

где g – скорость тепловой генерации носителей зарядов – электронов; N_A – концентрация ионов акцепторной примеси.

Современная технология изготовления ПЗС позволяет получить времена релаксации, измеряемые минутами. Однако, в принципе ПЗС – прибор динамического типа, и долговременное хранение информации в нём невозможно.

Рассмотрим принцип передачи информации в ПЗС, то есть передачу зарядового пакета от затвора к затвору. Пусть полупроводник имеет структуру n -типа и на все затворы подано одинаковое отрицательное напряжение U₁, тогда под всеми затворами образуется ОПЗ шириной l₀ (рис. 3.10,а);

Если отрицательное напряжение на затворе З₂ по абсолютному значению больше, чем на соседних затворах З₁ и З₃ (| U₂ | > | U₁ |), то под затвором З₂ глубина обеднённой области получится больше, чем под затворами З₁ и З₃ (рис.3. 10,б). Введём под затвор З₂ информационный зарядовый пакет дырок; при заданном соотношении напряжений на затворах дырки не могут преодолеть действующего на границах области под затвором З₂ тормозящего электрического поля. В этом случае зарядовый пакет под З₂ может храниться относительно долго (конечно, много меньше времени релаксации), то есть затвор З₂ работает в режиме хранения информации. Напряжение U₂ называют напряжением хранения.

 

 

А б в

Рис. 3.10

 

Пусть теперь на затвор З₃ подано отрицательное напряжение U₃ при условии (| U₃ | > | U₂ |), а U₂ не изменилось (рис.3. 10,в), тогда на границе З₂ и З₃ возникает ускоряющее для дырок электрическое поле, и зарядовый пакет переходит от З₂ к З₃. Затвор З₃ работает при этом в режиме считывания информации, так что U₃ называют напряжением считывания.

Суммарный положительный заряд под затвором определяется напряжением на затворе и ёмкостью МДП-структуры. Поэтому появление зарядового пакета дырок сопровождается уменьшением положительного заряда ионов донорной примеси. При равенстве пространственного заряда доноров заряду пакета дырок электрические поля на границах между затворами исчезают и дырочный пакет распределяется вдоль всей поверхности структуры и поэтому не может быть носителем информации. Следовательно, максимально допустимое значение количества заряда в пакете равно:

 

 

где С – удельная ёмкость диэлектрика; S – площадь затвора.

В процессе переноса зарядового пакета имеют место потери заряда. Они связаны, во-первых, с тем, что скорости носителей заряда в пакете различны и требуется определённое втемядля переноса всего заряда; во-вторых, с тем, что часть зарядов оказывается захваченной приповерхностными ловушками. Следовательно, для переноса зарядового пакета без потерь нужно какое-то минимальное время. Это время тем меньше, чем меньше расстояние между затворами, чем выше подвижность носителей и напряжение считывания.

Вывод информации из ПЗС. Рассмотрим принцип вывода информации из ПЗС на примере структуры, показанной на рис.3.11. Пусть записанная в информация в виде зарядовых пакетов дырок находится под затворами с чётными номерами. Если на нечётные затворы подать напряжение U₁ < 0, а на чётные – отрицательное напряжение U₂ (| U₂| > |U₁|), то между каждой парой затворов (1-2,3-4,5-6 и т.д.) возникнет электрическое поле. Вектор напряжённости этого поля направлен от нечётных затворов к чётным, так что чётные затворы работают в режиме хранения информации.

Пусть подаваемые на затворы напряжения U₁ и U₂ меняются во времени так, как показано на рис. 3.10,б, и при этом обеспечено однонаправленное перемещение дырок справа налево, то в момент времени t₁ зарядовые пакеты перейдут от чётных затворов к нечётным. Меняя в каждом последующем такте напряжения U₁ и U₂ на затворах, можно постепенно вывести все зарядовые пакеты во внешнюю цепь R_н (рис. 3.10,в), после чего в ПЗС вводится новая информация.

Для обеспечения однонаправленного движения зарядовых пакетов можно ввести третью группу затворов и трёхтактную систему питания.

 

Контрольные вопросы

1.Отличие МДП-транзисторов с встроенным и индуцированным каналами.

2.Связь удельной ёмкости затвора с толщиной подзатворного диэлектрика.

3.Что такое пороговое напряжение МДП- транзистора?

4.Чему равно напряжение спрямления зон?

5.Чему равна разность потенциалов затвор-исток на

границе насыщения?

6.Дайте определение крутизны МДП-транзистора.

7.Чему соответствует критический ток МДП-транзистора?

8.Дайте определение напряжения отсечки полевого транзистора.

9.Сравните быстродействие МДП- и полевых транзисторов.

10.Как изменяется длина канала полевого транзистора в пологой области при увеличении напряжения на стоке?

 

 

 

 

 

Рис. 3.10

11.Как связана постоянная времепни крутизны с длиной канала МДП-транзистора?

12.Сравните уровень шумов МДП- и полевых транзисторов.

13.Что представляет собой прибор с зарядовой связью?

14.Режимы работы МДП-структуры в ПЗС.

15.Вывод информации из ПЗС.